EP0610585B1

EP0610585B1 - Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Vor-und Haupteinspritzung

Info

Publication number: EP0610585B1
Application number: EP93120308A
Authority: EP
Inventors: Helmut Dipl.-Ing. Priesner
Original assignee: Steyr Nutzfahrzeuge AG
Current assignee: MAN Truck and Bus Osterreich AG
Priority date: 1993-02-09
Filing date: 1993-12-16
Publication date: 1996-09-04
Anticipated expiration: 2013-12-16
Also published as: DE59303658D1; EP0610585A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Vor- und Haupteinspritzung über je ein Zwei-Nadel-Einspritzventil in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einer Einspritzpumpe mit nockengesteuerten, für Leistungsregelung verdrehbaren Pumpenkolben, deren Pumpenräume jeweils über eine seitlich einmündende Steuerbohrung mit Kraftstoff füllbar und an die sich ausgangsseitig ein in Schließrichtung federbelastetes Ventil anschließt.
Die Erfindung geht aus von einem Stand der Technik gemäß der DE 29 24 128 A1. Diese Schrift offenbart eine Einspritzvorrichtung für eine Voreinspritzung von zündwilligem Kraftstoff und eine Haupteinspritzung von zündträgem Kraftstoff, über ein Zwei-Nadel-Einspritzventil, bei dem beide Ventilnadeln koaxial ineinander angeordnet sind, was auch eine entsprechend angepaßte Zuführung der verschiedenen Kraftstoffe über entsprechend ausgebildete Leitungswege im Hinblick auf den zeitlichen Ablauf der Vor- und Haupteinspritzung bedeutet. Diese Lösung wirft jedoch Probleme auf bzw. ist mit gewissen Nachteilen behaftet, auf die nachfolgend näher eingegangen ist. Die Einspritzpumpe muß immer mit dem zündträgen Kraftstoff betrieben werden. Dies kann deshalb zu Problemen führen, da zum Beispiel Äthanol eine geringe Schmierfähigkeit aufweist oder, wenn als Kraftstoff eine wasserhaltige Emulsion verwendet wird, dieser Korrosion verursachen kann. Darüber hinaus sind bei dieser bekannten Lösung ausgangs der Einspritzpumpe entweder Gleichdruckventile (Fig. 2), Drosselrückschlagventile (Fig. 3) oder Gleichraumventile (Fig. 4) vorgesehen, aufgrund derselben gewisse Probleme bei der Dosierung des geförderten Kraftstoffes auftreten. Soll die Dosierung desselben nur durch Druck und Querschnitt gesteuert werden, wie in der Beschreibung Seite 7 unten angegeben, so ist folgendes zu beachten:
Der Standdruck in der Einspritzleitung muß sehr niedrig und konstant sein, vorzugsweise gleich dem Dampfdruck. Diese Forderung kann vom Gleichdruckventil nach Fig. 2 in der Praxis nicht erfüllt werden. Von den Druckventilen nach Fig. 3 und 4 kann diese Forderung nur durch eine Überentlastung der Einspritzleitung erfüllt werden, so daß im allgemeinen auch nach Zuführung des Haupteinspritzkraftstoffes die Einspritzleitung nicht vollständig gefüllt ist. Dieser Sachverhalt bedingt eine Reihe bekannter Nachteile, wie Kavitation, Streuung von Einspritzmenge und -beginn, geringer Einspritzdruck.
Die exakte Zumessung versagt bei druck-/querschnittsgesteuerten Systemen spätestens dann, wenn die eingespritzte Kraftstoffmenge kleiner ist als die Sollmenge für den Voreinspritzkraftstoff. Dieser Fall tritt bei sehr niedriger Last ein und führt dazu, daß sich die Leitung immer mehr mit Voreinspritzkraftstoff füllt. Akute Probleme verursacht dies insbesondere dann, wenn die beiden Kraftstoffe unterschiedliche Heizwerte besitzen, was sowohl für die Kombination Dieselkraftstoff/Diesel-Wasser-Emulsion als auch für die Kombination Dieseikraftstoff/Äthanol der Fall ist. Dadurch wird nämlich bei zu großer Vorlagerung von Voreinspritzkraftstoff eine zu große Brennstoffenergie in den Motor eingebracht, was zu unkontrollierter Leistungsabgabe, Schwarzrauch und eventuell auch zu Motorzerstörung führen kann. Solche Nachteile können aber auch bei einer Magnetventildosierung auftreten, falls es das betreffende Druckventil erlaubt, mehr Menge an Voreinspritzkraftstoff zuzuführen als zuletzt eingespritzt wurde.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend auszubilden, daß in allen Lastbereichen der Brennkraftmaschine eine exakte mengenmäßige Dosierung des Vor- und Haupteinspritzkraftstoffes sowie eine zeitlich exakt aufeinander abgestimmte Vor- und Haupteinspritzung möglich ist.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst,

daß jedes Zwei-Nadel-Einspritzventil zwei achsparallel nebeneinander eingebaute Düsennadeln aufweist, die jeweils rückseitig über eine den Öffnungsdruck vorgebende Druckfeder in Schließrichtung kraftbeaufschlagt sind und in Schließstellung, auf einem Sitz abgestützt, zugehörige Düsenbohrungen absperren bzw. in Öffnungsstellung letztere für Einspritzung freigeben,
daß der Düsenvorraum der Voreinspritznadel über einen ventilinternen Kanal mit eingebautem, nur in Speiserichtung durchlässigem Rückschlagventil von einer Niederdruck-Speiseeinrichtung her mit Voreinspritzkraftstoff versorgbar ist,
daß sich an jeden Pumpenraum der Einspritzpumpe ein ein Druckventil und eine Druckfeder aufnehmender Pumpenausgangsraum und daran über eine Einspritzleitung oder direkt ein einspritzventilinterner Zuführkanal anschließt,
daß jedes Druckventil beim Pumpenkolben-Hub als Druckkolben wirkend den in den anschließenden Leitungswegen gegebenen Kraftstoff ausschiebt und gleichzeitig eine seitlich in den Pumpenausgangsraum einmündende Füllbohrung absperrt, über die nach Beendigung jedes Haupteinspritzvorganges und Rückführung des Druckventils in Schließstellung der dadurch entstehende, der eingespritzten Kraftstoffmenge entsprechende Hohlraum in den nachgeordneten Leitungswegen von einer Niederdruck-Speiseeinrichtung her wieder mit Haupteinspritzkraftstoff auffüllbar ist, und
daß in jedem Zwei-Nadel-Einspritzventil ein zwischen zwei Endstellungen axial frei beweglicher Steuerkolben vorgesehen ist, der aus seiner einen, unteren Endstellung nach Beendigung jeder Haupteinspritzung durch seinem Steuervorraum über einen Kanal vom Düsenvorraum der Voreinspritznadel her zugeführten Voreinspritzkraftstoff in seine andere, obere Endstellung verschiebbar ist, wobei der Zuführkanal verschlossen wird, und der aus dieser oberen Endstellung bei pumpenkolbenseitig gesteuertem Druckaufbau durch den anstehenden Haupteinspritzkraftstoff nach unten bewegt wird, wobei der in seinen Steuervorraum anstehende Voreinspritzkraftstoff unter Öffnung der Voreinspritznadel verdrängt und in entsprechender Menge eingespritzt wird, und wobei vom Steuerkolben eine Verbindung zum Düsenvorraum der Haupteinspritznadel freigegeben wird, wodurch diese dann durch den pumpenkolbenseitig nachgeschobenen Haupteinspritzkraftstoff angehoben wird und letzterer bis zur pumpenkolbenseitigen Druckentlastung eingespritzt wird.

Durch die erfindungsgemäße Aufteilung des Zwei-Nadel-Einspritzventils in zwei achsparallel nebeneinander eingebaute Düsennadeln kann jede derselben vergleichsweise einfach ausgebildet und auch der Öffnungsdruck über die jeweils zugeordnete Druckfeder exakt definiert eingestellt werden. Ferner erlaubt dies eine günstige Ausgestaltung der Leitungswege für die Zuführung des Voreinspritzkraftstoffes zum Düsenvorraum der Voreinspritznadel sowie einen einfachen Einbau des notwendigen Rückschlagventiles. Darüber hinaus ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung der Düsennadeln auch eine einfache Unterbringung des erfindungsgemäßen Steuerkolbens als einem Teil der Einspritzsteuerung. Außerdem dient die Einspritzpumpe bei der erfindungsgemäßen Lösung nicht zur Kraftstofförderung, sondern nur zum Druckaufbau, um den in den sich an das Druckventil anschließenden Leitungswegen gegebenen, von einer Niederdruck-Speiseeinrichtung her eingespeisten Haupteinspritzkraftstoff auszuschieben. Diesem Zweck dient jenes erfindungsgemäße Merkmal, daß sich an jeden Pumpenraum der Einspritzpumpe ein ein Druckventil und eine Druckfeder aufnehmender Pumpenausgangsraum und daran eine mit einem einspritzventilinternen Zuführkanal verbundene Einspritzleitung anschließt. Jedes Druckventil wirkt dabei bei jedem Pumpenkolbenhub als Druckkolben, schiebt dabei den in den anschließenden Leitungswegen gegebenen Kraftstoff aus und sperrt gleichzeitig eine seitlich in den Pumpenausgangsraum einmündende Füllbohrung ab, über die nach Beendigung jedes Haupteinspritzvorganges und Rückführung des Druckventils in dessen Schließstellung der dadurch entstehende Hohlraum in den nachgeordneten Leitungswegen von einer Niederdruckspeiseeinrichtung her wieder mit Haupteinspritzkraftstoff auffüllbar ist.
Die solchermaßen wirkende Einspritzpumpe, die Druckventile und die Steuerkolben in den Zwei-Nadel-Einspritzventilen ermöglichen in Verbindung mit dem weiteren Aufbau der letzteren eine exakte Erfüllung der gestellten Aufgaben, nämlich eine exakte mengenmäßige Dosierung sowohl des Vor- als auch Haupteinspritzkraftstoffes und eine zeitlich exakt definierte Abfolge der Vor- und Haupteinspritzung.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lösung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Was das Vorsehen zweier achsparallel nebeneinander eingebauter Düsennadeln in einem Zwei-Nadel-Einspritzventil sowie eines zwischen zwei Endstellungen beweglichen Steuerkolbens anbelangt, so ist solches aus der EP-A 0 237 071 bekannt. Im Gegensatz zur Erfindung sind dort beide Ventilnadeln über eine Wippe an einer gemeinsamen Druckfeder abgestützt. Ersichtlicherweise kann diese nur auf einen einzigen Öffnung- bzw. Schließdruck eingestellt sein. Eine gezielte Einstellung des Öffnungs- bzw. Schließdruckes jeder Ventilnadel, wie bei der Erfindung über die beiden Druckfedern möglich, ist dort nicht darstellbar. Im übrigen ist das Steuerungssystem für die Steuerung der Vor- und Haupteinspritzung extrem aufwendig. Drei Nockenwellen allein für die Steuerung der Einspritzungen sind in der Praxis kaum vertretbar. Die Erfindung begnügt sich, was Nockenwellen anbelangt, mit einer einzigen, nämlich jener, die zur Steuerung der Pumpenkolben der Einspritzpumpe dient.
Nachstehend ist die erfindungsgemäße Lösung anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1: eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Vor- und Haupteinspritzung gleichen Kraftstoffs,
Fig. 2: eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Voreinspritzung zündwilligen Kraftstoffs und eine Haupteinspritzung zündträgen Kraftstoffs,
Fig. 3: einen Ausschnitt aus einem zu jenem in Fig. 1 und 2 dargestellen alternativen Zwei-Nadel-Einspritzventil,
Fig. 4: ausschnittsweise ein weiteres alternatives Zwei-Nadel-Einspritzventil, wobei in den Fig. 4A, 4B und 4C der dort eingebaute Steuerkolben in drei unterschiedlichen Stellungen gezeigt ist, nämlich in Fig. 4A vor einer Voreinspritzung, in Fig. 4B am Ende einer Voreinspritzung und in Fig. 4C während einer Haupteinspritzung,
Fig. 5: ausschnittsweise eine weitere zur Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 alternative Ausgestaltung des Zwei-Nadel-Einspritzventils.

In den Figuren sind gleiche bzw. einander entsprechende Bauteile mit gleichem Bezugszeichen angezogen.
Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung weist eine Einspritzpumpe 1 mit von nicht dargestellten Nocken gesteuerten Pumpenkolben 2 auf, die jeweils übliche Steuernuten 3, 4 und schräge Steuerkanten 5 aufweisen sowie für Leistungsregelung durch eine ebenfalls nicht dargestellte Steuervorrichtung verdrehbar sind. An die jeweils über eine seitlich einmündende Steuerbohrung 6 mit Kraftstoff füllbaren Pumpenräume 7 schließt sich ausgangs jeweils ein Pumpenausgangsraum 8 und daran eine mit einem intern eines Zwei-Nadel-Einspritzventiles 9 gegebenen Zuführkanal 10 verbundene Einspritzleitung 11 an. Falls das Zwei-Nadel-Einspritzventil 9 mit der Einspritzpumpe 1 zu einem Pumpen-Düsen-Organ vereinigt ist, entfällt die Einspritzleitung 11. Die zwischen jedem Pumpenraum 7 und Pumpenausgangsraum 8 gegebene Verbindungsbohrung 12 ist rückseitig mit einer kegligen Erweiterung 13 versehen, die als Sitz für ein im Pumpenausgangsraum 8 leckagearm eingebautes Druckventil 14 dient, welches in Schließrichtung durch eine ebenfalls in den Pumpenausgangsraum 8 eingebaute Druckfeder 15 beaufschlagt ist. Im Gegensatz zu herkömmlichen Einspritzpumpen, bei denen durch den Pumpenkolben-Hub der geförderte Kraftstoff unmittelbar einem Einspritzventil zugeführt wird, dient die erfindungsgemäße Einspritzpumpe nur zum Druckaufbau und zum Ausschub der zur Einspritzung kommenden Menge an Haupteinspritzkraftstoff, welcher sukzessive den sich am Druckventil 14 anschließenden Leitungswegen 8, 11, 10 zugeführt wird. Dabei wirkt jedes Druckventil 14 beim Pumpenkolben-Hub als Druckkolben, der durch seine Hubbewegung den dahinter anstehenden Kraftstoff ausschiebt und gleichzeitig eine seitlich in den Pumpenausgangsraum 8 einmündende Füllbohrung 16 absperrt, über die nach Beendigung jedes Haupteinspritzvorganges und Rückführung des Druckventils 14 in dessen Schließstellung der dadurch entstehende Hohlraum in den besagten, letzterem nachgeordneten Leitungswegen 8, 11, 10 von einer Niederdruck-Speiseeinrichtung 17 her wieder mit Haupteinspritzkraftstoff auffüllbar sind.
Jedes einem Zylinder der Brennkraftmaschine zugeordnete Zwei-Nadel-Einspritzventil 9 weist zwei achsparallel nebeneinander eingebaute Düsennadeln, eine Voreinspritznadel 18 und eine Haupteinspritznadel 19 auf, die jeweils rückseitig über eine an einem Druckteller abgestützte und den Öffnungsdruck vorgebende Druckfeder 20 bzw. 21 in Schließrichtung kraftbeaufschlagt sind und in Schließstellung, auf einem Sitz 22 bzw. 23 abgestützt, zugehörige Düsenbohrungen 24 bzw. 25 absperren bzw. in Öffnungsstellung letztere für Einspritzung freigeben. Um zu erreichen, daß zunächst eine Voreinspritzung von Voreinspritzkraftstoff durch die Düsenbohrungen 24 nach Abheben der Voreinspritznadel 18 von ihrem Sitz 22 und danach eine Haupteinspritzung über die Düsenbohrungen 25 nach Abheben der Haupteinspritznadel 19 von ihrem Sitz 23 erfolgen kann, ist der Öffnungsdruck der Voreinspritznadel 18 vorzugsweise niedriger, z.B. auf ≦ 70% als jener der Haupteinspritznadel 19 eingestellt, und zwar über entsprechende Auslegung der Druckfedern 20, 21. Beispielsweise kann der Öffnungsdruck der Voreinspritznadel 18 auf 200 bar und der Öffnungsdruck der Haupteinspritznadel auf 300 bar eingestellt sein. Abhängig von dieser Öffnungsdruck-Einstellung ergibt sich ein bestimmter zeitlicher Versatz des Beginns von Vor- und Haupteinspritzung.
Jede der beiden Düsennadeln 18, 19 weist einen vorderen zylindrischen Abschnitt und einen demgegenüber durchmessergrößeren hinteren Abschnitt auf, wobei die Übergangsfläche 26 bzw. 27 zwischen beiden Nadelabschnitten im erweiterten Bereich des jeweils zugehörigen Düsenvorraumes 28 bzw. 29 gegeben ist und die in Öffnungsrichtung der jeweiligen Ventilnadel 18 bzw. 19 wirksame Druckfläche bildet.
Der Düsenvorraum 28 der Voreinspritznadel 18 ist über einen ventilinternen Kanal 30/1, 30/2, 30/3, 30/4 mit vorzugsweise möglichst nahe vor dessen Einmündung in den Düsenvorraum 28 eingebautem, nur in Speiserichtung durchlässigen Rückschlagventil 31 von einer Niederdruck-Speiseeinrichtung 32 her mit Voreinspritzkraftstoff versorgbar.
Kernstück der Kraftstoffeinspritzvorrichtung ist ein in jedem Zwei-Nadel-Einspritzventil 9 eingebauter, zwischen zwei Endstellungen axial frei beweglicher Steuerkolben 33, der für eine exakte mengenmäßige Dosierung der Voreinspritzkraftstoffmenge und eine zeitlich exakt definierte Steuerung der Voreinspritzung sowie eine zeitlich versetzt zu deren Beginn mit oder ohne Überschneidung gesteuerte Haupteinspritzung verantwortlich zeichnet. Dieser Steuerkolben 33 ist im Bereich zwischen den beiden Ventilnadeln 18, 19 vorzugsweise achsparallel zu diesen in einer Aufnahmebohrung 34 axial verschieblich aufgenommen, die unten - zur Bildung eines Steuervorraumes 35 - und weiter oben, von dem den unteren Anschlag bildenden Boden des letzteren um etwa die Länge des Steuerkolbens 33 beabstandet - zur Bildung eines Überleitraumes 36 - entsprechend erweitert ist sowie koaxial zum zentralen, durchmesserkleineren Zuführkanal 10 verläuft, wobei der Übergang von letzterem zur Aufnahmebohrung 34 durch eine Einsatzhülse 37 gebildet ist, deren untere Stirnfläche den oberen Anschlag für den Steuerkolben 33 bildet.
Der Steuervorraum 35 des Steuerkolbens 33 ist über eine Bohrung 38 mit dem Düsenvorraum 28 der Voreinspritznadel verbunden. Der Überleitraum 36 wiederum ist mit dem Düsenvorraum 29 der Haupteinspritznadel verbunden, und zwar je nach Abstand unter Anschneidung derselben oder über eine Bohrung.
Der Steuerkolben 33 ist nach Beendigung jeder Haupteinspritzung generell aus seiner einen, nach Beendigung einer Voreinspritzung gegebenen unteren Endstellung durch von der Niederdruck-Speiseeinrichtung 32 nachgeförderten und seinem Steuervorraum 35 über den Kanal 38 vom Düsenvorraum 28 der Voreinspritznadel 18 her zugeführten Voreinspritzkraftstoff in seine andere, obere Endstellung verschiebbar, wobei während dieser Aufwärtsbewegung der Zuführkanal 10 verschlossen wird. Aus dieser oberen Endstellung ist der Steuerkolben 33 bei einem pumpenkolbenseitig gesteuerten Druckaufbau über den davor im Zuführkanal 10 anstehenden Haupteinspritzkraftstoff nach unten bewegbar, wobei der in seinem Steuervorraum 35 anstehende Voreinspritzkraftstoff - wegen des geschlossenen Rückschlagventils 31 - unter Öffnung der Voreinspritznadel 18 verdrängt und in den Brennraum eingespritzt wird, und wobei nach einem gewissen Weg vom Steuerkolben 33 die Verbindung zwischen Zuführkanal 10 und Überleitraum 36 und damit der Kraftstoffweg zum Düsenvorraum 29 der Haupteinspritznadel 19 freigegeben ist, worauf letztere dann durch den Druckausstieg des pumpenkolbenseitig nachgeschobenen Haupteinspritzkraftstoffs angehoben und letzterer bis zur pumpenkolbenseitigen Druckentlastung eingespritzt wird.
Der Steuerkolben 33 ist bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 und 2 zylindrisch mit ebenen, randseitig erforderlichenfalls angefasten Stirnflächen ausgebildet. Hierdurch ergibt sich folgender Einspritzzyklus, betrachtet von folgenden Ausgangsgegebenheiten:

der Steuerkolben 33 befindet sich durch die Nachfüllung des Voreinspritzkraftstoffes nach oben bewegt in seiner oberen Endstellung,
der Pumpenausgangsraum 8, die Einspritzleitung 11 und der Zuführkanal 10 sind vollständig mit Haupteinspritzkraftstoff gefüllt,
der Pumpenkolben 2 befindet sich in unterster Stellung.

Wenn sich nun der Pumpenkolben 2 von einer nicht dargestellten Nocke angetrieben nach oben bewegt, verschließt er die Steuerbohrung 6, wodurch der Druck im Pumpenraum 7 ansteigt und das Druckventil 14 entgegen der Kraft der Druckfeder 15 angehoben wird. Das Druckventil 14 verschließt nach kurzem Hub die Füllbohrung 16, worauf die in den nachfolgenden Leitungswegen 8, 11, 10 anstehende Haupteinspritzkraftstoffsäule durch die Weiterbewegung des als Druckkolben wirkenden Druckventiles 14 vorangeschoben wird. Sobald der Druck dieser Haupteinspritzkraftstoffsäule den über die Druckfeder 20 eingestellten Öffnungsdruck der Voreinspritznadel 18 übersteigt, wird der einspritzventilinterne Steuerkolben 33 aus seiner oberen Endstellung nach unten verschoben, wobei durch den hierdurch aus seinem Steuervorraum 35 verdrängten Voreinspritzkraftstoff die Voreinspritznadel 18 angehoben und dann bei weiterer haupteinspritzkraftstoffgesteuerter Abwärtsbewegung des Steuerkolbens 33 bis zu dessen unterer Endstellung die dieser Volumenverdrängung entsprechende Menge an Voreinspritzkraftstoff über die Düsenbohrungen 24 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird. Da der pumpenkolbengesteuerte Druck relativ rasch ansteigt, ist bei der Ausführungsform des Steuerkolbens gemäß Fig. 1 und 2 nur ein kleiner Versatz zwischen Vor- und Haupteinspritzung erreichbar. Es erfolgt mithin eine Überdeckung zwischen Vor- und Haupteinspritzung deswegen, weil vom Steuerkolben 33 bereits nach einem gewissen Abwärtshub die Verbindung vom Zuführkanal 10 zum Düsenvorraum 29 der Haupteinspritznadel 19 freigegeben wird und letztere, sobald deren durch die Druckfeder 21 eingestellte Öffnungsdruck überschritten wird, angehoben wird und dann exakt jene Menge an Haupteinspritzkraftstoff über die Düsenbohrungen 25 in den Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird, welche sich aus dem restlichen Hubweg des Druckventiles 14 ergibt. Die Voreinspritzung wird im Fall gemäß Fig. 1 und 2 beendet, sobald der einspritzventilinterne Steuerkolben 33 seine unterste Anschlagposition erreicht hat, die Haupteinspritzung dauert so lange, bis der Druck im Pumpenraum 7 bei Förderende des Pumpenkolbens 2 und damit einhergehend auch der Druck in den Leitungswegen 8, 11, 10 zusammenbricht. In der Folge schließt die Haupteinspritznadel 19 und das Druckventil 14 wird in seine Schließstellung rückgeführt. Dadurch entsteht in den diesem nachfolgenden Leitungswegen 8, 11, 10 ein Hohlraum in der Größe der eingespritzten Kraftstoffmenge. Dieser Hohlraum wird von der Niederdruck-Speiseeinrichtung 17 her über die Füllbohrung 16 wieder aufgefüllt. Andererseits wird bereits bei Zusammenbruch des Druckes in den Leitungswegen 8, 11, 10 der zur Voreinspritzung vorgesehene Kraftstoff von der Niederdruck-Speiseeinrichtung 32 her nachgefüllt, und zwar über die ventilinternen Leitungswege 30/1, 30/2, 30/3, 30/4 unter Öffnung des Rückschlagventils 31 und Auffüllung des Düsenvorraumes 28 der Voreinspritznadel 18, der Bohrung 38 und des Steuervorraumes 35 des Steuerkolbens 33, wodurch dieser von seiner unteren Anschlagposition in seine obere Anschlagposition unter Absperrung des Zuführkanales 10 bewegt wird.
Um zu erreichen, daß der Düsenvorraum 29 der Haupteinspritznadel 19 vor Absperrung des Zuführkanales 10 durch den Steuerkolben 33 vollständig mit Haupteinspritzkraftstoff gefüllt wird, muß im Fall der Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 1 bis 4 die Füllung der Leitungswege 8, 11, 10 mit Haupteinspritzkraftstoff von der Niederdruck-Speiseeinrichtung 17 her wesentlich schneller erfolgen als die durch die Nachfüllung des Voreinspritzkraftstoffes erfolgende Verschiebung des Steuerkolbens 33. Dies wird dadurch erreicht, daß der Förderdruck P2 der Niederdruck-Speiseeinrichtung 17 entsprechend größer eingestellt ist als der Förderdruck P1 der Niederdruck-Speiseeinrichtung 32 und außerdem im Leitungsweg zwischen Niederdruck-Speiseeinrichtung 32 und Rückschlagventil 31 eine Drossel 39 gegeben ist, deren Durchlaßquerschnitt wesentlich kleiner ist als jener einer anderen Drossel 40, die im Leitungsweg zwischen Niederdruck-Speiseeinrichtung 17 und Pumpenausgangsraum 8 gegeben ist. Die Drossel 39 ist insbesondere eingangs eines Zwei-Nadel-Einspritzventils 9 gegeben, wahrend die Drossel 40 insbesondere eingangs des Pumpenausgangsraums 8 in der Füllbohrung 16 eingebaut ist.
Alternativ zum Vorsehen dieser beiden Drosseln 39, 40 kann unter Verzicht derselben, um die besagte vollständige Auffüllung des Düsenvorraumes 29 der Haupteinspritznadel 19 sicherzustellen, der Steuerkolben 33 - wie aus Fig. 5 ersichtlich - eine von oben her eingebohrte Sacklochbohrung 41 und eine von dieser zum Umfang führende, erheblich durchmesserkleinere Querbohrung 42 aufweisen. Diese ist am Steuerkolben 33 in solcher axialer Relativlage vorgesehen, daß, wenn sich letzterer in oberer Endstellung befindet, eine gedrosselte Verbindung zwischen Zuführkanal 10 und Überleitraum 36 zum Düsenvorraum 29 der Haupteinspritznadel 19 besteht. Diese Querbohrung 42 wird aber bereits nach geringem Abwährtshub des Steuerkolbens 33 durch die Aufnahmebohrung 34 abgedeckt und damit verschlossen, so daß durch dessen Abwärtsbewegung die Voreinspritzung ungehindert steuerbar ist.
Um einen zeitlich weitergehend versetzten Beginn von Vor- und Haupteinspritzung zu erreichen, kann der Steuerkolben 33 auch - wie aus Fig. 3 ersichtlich - als Stufenkolben ausgebildet sein. Dabei besteht der Steuerkolben 33 aus zwei durchmesserunterschiedlichen Zylinderabschnitten 33/1, 33/2, wobei der durchmesserschwächere (33/2) das untere Steuerkolbenteil bildet, an das die Aufnahmebohrung 34 durchmesserseitig entsprechend angepaßt ist. Letztere ist außerdem in Höhe des Übergangs der beiden Zylinderabschnitte 33/1, 33/2 - bei in unterer Anschlagstellung des Steuerkolbens 33 betrachtet - durch einen Leckageraum 43 erweitert, von dem ein Leckageableitkanal 44 wegführt. Aufgrund dieser stufigen Ausbildung des Steuerkolbens 33 ergibt sich eine Druckübersetzung, mit der Folge, daß bei dessen Abwärtsbewegung im Düsenvorraum 28 der Voreinspritznadel 18 ein wesentlich höherer Druck als im Düsenvorraum 29 der Haupteinspritznadel 19 bewirkt wird. Dadurch ist es möglich, den Beginn der Voreinspritzung relativ weit gegenüber dem Beginn der Haupteinspritzung vorzuverlegen. Durch entsprechende Durchmesserbemessung der beiden Zylinderabschnitte 33/1, 33/2 des Steuerkolbens 33 ist es aber auch möglich, eine Beendigung der Voreinspritzung vor Beginn der Haupteinspritzung zu erreichen.
Eine andere Lösung, mit der die Voreinspritzung vor der Haupteinspritzung beendbar ist, ist in Fig. 4A bis 4C gezeigt. Bei dieser Variante ist der Steuerkolben 33 zylindrisch mit ebener oberer Stirnfläche ausgebildet. Ferner ist das Aufnahmevolumen des Steuervorraumes 35 durch eine von unten her in den Steuerkolben 33 eingebohrte Sacklochbohrung 45 erweitert, die an einer bestimmten Stelle über eine Querbohrung 46 mit dem Umfang des Steuerkolbens 33 verbunden ist. Diese Querbohrung 46 ist bei in oberer Endstellung befindlichem Steuerkolben 33 durch die Aufnahmebohrung 34 abgedeckt und kommt bei Abwärtsbewegung des Steuerkolbens 33 mit einem durch eine ringförmige Erweiterung der Aufnahmebohrung gegebenen Leckageraum 47, von dem eine Leckageleitung 48 abgeht, in Verbindung, wodurch der Druck im Steuerdruckraum 35 und Düsenvorraum 28 zusammenbricht, damit die Voreinspritzung beendet und außerdem aufgrund der Abflußmöglichkeit des Voreinspritzkraftstoffes auch eine Rückkehr des Steuerkolbens 33 in seine untere Anschlagposition ermöglicht wird. Ansonsten ist der Ablauf eines Voreinspritz- und Haupteinspritzzyklus gleich wie in Verbindung mit Fig. 1 und 2 beschrieben. Zur Verdeutlichung ist daher nachfolgend anhand von Fig. 4A, 4B und 4C nur der Bewegungsablauf des diesbezüglichen Steuerkolbens 33 geschildert. Fig. 4A zeigt den Steuerkolben 33 in seiner oberen Anschlagsstellung, wie sie zu Beginn des pumpenkolbenseitigen Förderhubes gegeben ist. Bei einem pumpenkolbenseitig gesteuerten Druckanstieg über die in den Leitungswegen 8, 11, 10 gegebene Haupteinspritzkraftstoffsäule bewegt sich der Steuerkolben nach unten, wodurch - während die Verbindungen zwischen Zuführkanal 10 und Düsenvorraum 29 der Haupteinspritznadel 19 sowie zwischen Steuervorraum 35 und Leckageraum 47 noch verschlossen sind - der Druck im Düsenvorraum 28 ansteigt, die Voreinspritznadel 18 angehoben wird und die Voreinspritzung über die Düsenbohrungen 24 erfolgt. Nach einem gewissen Weg des Steuerkolbens 33 gibt die Aufnahmebohrung 34 die Querbohrung 46 frei - siehe die Steuerkolben-Stellung gemäß Fig. 4B. Da nunmehr Voreinspritzkraftstoff in den Leckageraum 47 abströmen kann, bricht der Druck im Düsenvorraum 28 zusammen und die Voreinspritzung wird beendet. Die zeitliche Verschiebung zwischen Ende Voreinspritzung und Beginn Haupteinspritzung ist durch die Zeit der weiteren Bewegung des Steuerkolben 33 bis zu seiner unteren Anschlagpositionsiehe Fig. 4C - definiert. Kurz bevor der Steuerkolben 33 diese untere Anschlagsposition erreicht, wird die Verbindung vom Zuführkanal 10 zum Überleitraum 36 aufgesteuert, wodurch sich ein Druckanstieg im Düsenvorraum 29 ergibt, die Haupteinspritznadel 19 geöffnet und der Haupteinspritzkraftstoff über die Düsenbohrungen 25 eingespritzt wird.
Jede der beiden Niederdruck-Speiseeinrichtungen 17, 32 weist eine Förderpumpe 17/1 bzw. 32/1 und ein Druckbegrenzungsventil 17/2 bzw. 32/2 auf, über welches der Förderdruck P1 der Förderpumpe 17/1 bzw. P2 der Förderpumpe 32/1 auf einen Bereich zwischen ca. 2 bis 4 bar eingestellt ist.
Die erfindungsgemäße Kraftstoffeinspritzvorrichtung kann unabhängig von ihrer jeweiligen Ausbildung grundsätzlich entweder zur Vor- und Haupteinspritzung gleichen Kraftstoffs - siehe Fig. 1 - oder zur Voreinspritzung eines zündwilligen Kraftstoffs, insbesondere Dieselkraftstoff, und Haupteinspritzung eines zündträgen Kraftstoffs wie einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion oder Äthanol - siehe Fig. 2 -verwendet werden. In letzterem Fall werden die beiden verschiedenen Kraftstoffe in unterschiedlichen Vorratstanks 49, 50 bereitgestellt und hieraus mittels der jeweiligen Niederdruck-Speiseeinrichtung 17 bzw. 32 den angeschlossenen Kraftstoffwegen zugeführt. Im Fall gemäß Fig. 2 dient die Niederdruck-Speiseeinrichtung 32 gleichzeitig auch zur Versorgung der über jeweils eine Leitung 51 angeschlossenen Pumpenräume 7 der Einspritzpumpe 1. Im Fall gemäß Fig. 1 wird der zur Vor- und Haupteinspritzung dienende Kraftstoff in einem Vorratstank 52 bereitgestellt, aus dem die Pumpen 17/1 bzw. 32/1 beider Niederdruck-Speiseeinrichtungen 17, 32 Kraftstoff in die angeschlossenen Leitungswege fördern. In diesem Fall sind die Pumpenräume 7 der Einspritzpumpe 1 von der Niederdruck-Speiseeinrichtung 17 her über eine Zweigleitung 53 mit Kraftstoff versorgbar.

Claims

Kraftstoffeinspritzvorrichtung für eine Vor- und Haupteinspritzung über je ein Zwei-Nadel-Einspritzventil in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine, mit einer Einspritzpumpe mit nockengesteuerten, für Leistungsregelung verdrehbaren Pumpenkolben, deren Pumpenräume jeweils über eine seitlich einmündende Steuerbohrung mit Kraftstoff füllbar sind und an die sich ausgangsseitig ein in Schließrichtung federbelastetes Ventil anschließt, dadurch gekennzeichnet,
- daß jedes Zwei-Nadel-Einspritzventil (9) zwei achsparallel nebeneinander eingebaute Düsennadeln (18, 19) aufweist, von denen jede rückseitig über eine eigene, den Öffnungsdruck vorgebende Druckfeder (20, 21) in Schließrichtung kraftbeaufschlagt sind und in Schließstellung, auf einem Sitz abgestützt, zugehörige Düsenbohrungen (24, 25) absperren bzw. in Öffnungsstellung letztere für Einspritzung freigeben,

- daß der Düsenvorraum (28) der Voreinspritznadel (18) über einen ventilinternen Kanal (30/1, 30/2, 30/3, 30/4) mit eingebautem, nur in Speiserichtung durchlässigen Rückschlagventil (31) von einer Niederdruck-Speiseeinrichtung (32) her mit Voreinspritzkraftstoff versorgbar ist,

- daß sich an jeden Pumpenraum (7) der Einspritzpumpe (1) ein ein Druckventil (14) und eine Druckfeder (15) aufnehmender Pumpenausgangsraum (8) und daran über eine Einspritzleitung (11) oder direkt ein einspritzventilinterner Zuführkanal (10) anschließt,

- daß jedes Druckventil (14) beim Pumpenkolben-Hub als Druckkolben wirkend den in den anschließenden Leitungswegen (8, 11, 10) gegebenen Kraftstoff ausschiebt und gleichzeitig eine seitlich in den Pumpenausgangsraum (8) einmündende Füllbohrung (16) absperrt, über die nach Beendigung jedes Haupteinspritzvorganges und Rückführung des Druckventils (14) in Schließstellung der dadurch entstehende, der eingespritzen Haupteinspritzkraftstoffmenge entsprechende Hohlraum in den nachgeordneten Leitungswegen (8, 11, 10) von einer Niederdruck-Speiseeinrichtung (17) her wieder mit Haupteinspritzkraftstoff auffüllbar ist, und

- daß in jedem Zwei-Nadel-Einspritzventil (9) ein zwischen zwei Endstellungen axial frei beweglicher Steuerkolben (33) vorgesehen ist, der aus seiner einen, unteren Endstellung nach Beendigung jeder Haupteinspritzung durch seinem Steuervorraum (35) über einen Kanal (38) vom Düsenvorraum (28) der Voreinspritznadel (18) her zugeführten Voreinspritzkraftstoff in seine andere, obere Endstellung verschiebbar ist, wobei der Zuführkanal (10) verschlossen wird, und der aus dieser oberen Endstellung bei pumpenkolbenseitig gesteuertem Druckaufbau durch den anstehenden Haupteinspritzkraftstoff nach unten bewegt wird, wobei der in seinen Steuervorraum (35) anstehende Voreinspritrkraftstoff unter Öffnung der Voreinspritznadel (18) verdrängt und in entsprechender Menge eingespritzt wird, und wobei vom Steuerkolben (33) eine Verbindung (36) zum Düsenvorraum (29) der Haupteinspritznadel (19) freigegeben wird, wodurch diese dann durch den pumpenkolbenseitig nachgeschobenen Haupteinspritzkraftstoff angehoben und letzterer bis zur pumpenkolbenseitigen Druckentlastung eingespritzt wird.
Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungsdruck der Voreinspritznadel (18) niedriger als jener der Haupteinspritznadel (19), jeweils über die zugehörige Druckfeder (20, 21), eingestellt ist.
Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkolben (33) im Bereich zwischen den beiden Ventilnadeln (18, 19) achsparallel zu diesen in einer Aufnahmebohrung (34) axial verschieblich aufgenommen ist, die unten - zur Bildung des Steuervorraumes (35) - und weiter oben, von dem den unteren Anschlag bildenden Boden des letzteren um etwa die Länge des Steuerkolbens (33) beabstandet - zur Bildung eines Überleitraumes (36) - entsprechend erweitert ist sowie koaxial zum zentralen, durchmesserkleineren Zuführkanal (10) verläuft, wobei der Übergang von letzterem zur Aufnahmebohrung (34) durch eine Einsatzhülse (37) gebildet ist, deren untere Stirnfläche den oberen Anschlag für den Steuerkolben (33) bildet.
Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenvorraum (28) der Voreinspritznadel (18) über eine Bohrung (38) mit dem Steuervorraum (35) des Steuerkolbens (33) und der Überleitraum (36) mit dem Düsenvorraum (29) der Haupteinspritznadel (19) - je nach Abstand unter Anschneiden derselben oder über eine Bohrung - verbunden ist.
Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkolben (33) zylindrisch mit ebenen, randseitig erforderlichenfalls angefasten Stirnflächen ausgebildet ist.
Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkolben (33) zur Erhöhung der Druckübersetzung als Stufenkolben ausgebildet ist und aus zwei durchmesserunterschiedlichen Zylinderabschnitten (33/1, 33/2) besteht, wobei der durchmesserschwächere (3/2) das untere Steuerkolbenteil bildet, an das die Aufnahmebohrung (34) durchmesserseitig entsprechend angepaßt ist, wobei letztere in Höhe des Übergangs der beiden Zylinderabschnitte - bei in unterer Anschlagstellung des Steuerkolbens (33) betrachtet - durch einen Leckageraum (43) erweitert ist, von dem ein Leckageableitkanal (44) wegführt.
Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkolben (33) zylindrisch mit ebener oberer Stirnfläche ausgebildet ist, daß ferner das Aufnahmevolumen des Steuervorraumes (35) durch eine von unten her in den Steuerkolben (33) eingebohrte Sacklochbohrung (45) erweitert ist, die an einer bestimmten Stelle über eine Querbohrung (46) mit dem Umfang des Steuerkolbens (33) verbunden ist, bei in oberer Endstellung befindlichem Steuerkolben (33) durch die Aufnahmebohrung (34) abgedeckt ist und bei Abwärtsbewegung des Steuerkolbens (33) mit einem durch eine ringförmige Erweiterung der Aufnahmebohrung gebildeten Leckageraum (47), von dem eine Leckageableitung (48) abgeht, in Verbindung kommt, wodurch der Druck im Steuerdruckraum (35) und Düsenvorlageraum (28) zusammenbricht, damit die Voreinspritzung beendet und eine Rückkehr des Steuerkolbens (33) in seine untere Anschlagposition ermöglicht wird.
Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Niederdruck-Speiseeinrichtungen (17, 32) eine Förderpumpe (17/1, 32/1), deren Förderdruck P1, P2 über ein Druckbegrenzungsventil (17/2, 32/2) auf ca. 2 bis 4 bar eingestellt ist, aufweist, wobei jedoch - um eine vollständige Füllung der zu versorgenden Kraftstoffräume sowie ein zeitgerechtes Überführen des Steuerkolbens (33) in seine obere Endstellung zu gewährleisten - der Förderdruck P2 für den Voreinspritzkraftstoff größer ist als jener P1 für den Haupteinspritzkraftstoff.
Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß - um nach Beendigung eines Haupteinspritzvorgangs auch eine vollständige Füllung des Düsenvorraumes (29) der Haupteinspritznadel (19) vor Absperrung des Zuführkanals (10) durch den Steuerkolben (33) zu ermöglichen - Vorkehrungen vorgesehen sind, die im Vergleich zum Nachfüllen des Voreinspritzkraftstoffes ein wesentlich schnelleres Nachfüllen des Haupteinspritzkraftstoffes ermöglichen.
Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung besagter Vorkehrungen im Leitungsweg zwischen Voreinspritzkraftstoff-Speiseeinrichtung (32) und Rückschlagventil (31), insbesondere eingangs des Zwei-Nadel-Einspritzventils (9), eine Drossel (39) gegeben ist, deren Durchlaßquerschnitt wesentlich kleiner ist als jener einer anderen Drossel (40), die im Leitungsweg zwischen Haupteinspritzkraftstoff-Speiseeinrichtung (17) und Pumpenausgangsraum (8), insbesondere eingangs des letzteren in der Füllbohrung (16) gegeben ist.
Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung besagter Vorkehrungen der Steuerkolben (33) eine von oben her eingebohrte Sacklochbohrung (41) und eine von dieser zum Umfang führende, erheblich durchmesserkleinere Querbohrung (42) in solcher axialer Relativlage aufweist, daß bei in oberer Endstellung befindlichem Steuerkolben (33) eine gedrosselte Verbindung zwischen Zuführkanal (10) und Überleitraum (36) zum Düsenvorraum (29) der Haupteinspritznadel (19) besteht, diese Querbohrung (42) aber bereits nach geringem Abwärtshub des Steuerkolbens (33) durch die Aufnahmebohrung (34) abgedeckt, damit verschlossen ist.
Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil (31) im ventilinternen Kanal (30) möglichst nahe vor dessen Einmündung in den Düsenvorraum (28) der Voreinspritznadel (18) hingerückt eingebaut ist.
Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ihre Verwendung zur Vor- und Haupteinspritzung gleichen Kraftstoffs.
Kraftstoffeinspritzvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ihre Verwendung zur Voreinspritzung eines zündwilligen Kraftstoffs, insbesondere Dieselkraftstoff, und Haupteinspritzung eines zündträgen Kraftstoffs, wie einer Dieselkraftstoff-Wasser-Emulsion oder Äthanol, welche Kraftstoffe in unterschiedlichen Vorratstanks (49, 50) bereitgestellt werden und mittels der jeweiligen Niederdruck-Speiseeinrichtung (17, 32) den zugehörigen Kraftstoffwegen zuführbar sind.